传动系统多体动力学与结构承载模型置信度评估方法及系统

本发明涉及传动系统数字化设计验证，具体为一种传动系统多体动力学与结构承载模型置信度评估方法及系统。

背景技术：

1、随着工业机器人、航空航天领域装备以及高端国防武器装备的快速发展，复合传动系统得到了越来越广泛的工程应用。该类系统通常由电机驱动单元、功率变换与控制单元、机械传动链（含行星齿轮组、轴系、轴承及联轴器等）以及承载结构共同构成，具有高功率密度、宽调速范围和精密力矩控制等显著优势。

2、为缩短研发周期、降低样机试制成本，工程实践中越来越多地依赖计算机仿真建立机电复合传动系统的多体动力学与结构承载模型：一方面，通过多体动力学软件建立包含刚柔耦合轴系和时变啮合刚度的传动链动力学模型，分析系统固有特性与动态响应；另一方面，通过有限元软件建立关键承载零件的结构模型，评估极限工况下的承载能力与疲劳寿命。

3、现有的仿真模型验证技术虽已在航空航天、精密机械加工等高可靠性领域形成一定的规范体系，但在复合传动系统应用层面仍存在以下突出不足：

4、传动系统仿真模型涉及几何尺寸公差、材料属性离散、载荷谱波动及阻尼参数不确定性等多类误差来源，现有方法多针对单一不确定性来源进行分析，缺乏将上述多源不确定性统一纳入置信度评估框架的系统化手段，难以客观反映模型预测结果的综合可信程度。此外，工程实践中，结构设计合理性、材料模型适用性、边界条件真实性等定性因素对模型置信度具有重要影响，但现有方法往往仅依赖定量误差指标进行评判，缺乏将专家经验与定量计算结果相融合的系统性评估机制，导致评估结论难以全面反映模型的实际可信水平。

5、因此，亟需一种适用于传动系统多体动力学与结构承载模型特点的置信度评估方法，以覆盖机械动力学与结构承载等核心物理域，实现参数不确定性的量化传播，从而在保障系统设计安全性与可靠性的前提下，最大程度发挥传动系统仿真模型替代物理实验的潜力。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种传动系统多体动力学与结构承载模型置信度评估方法及系统，以解决现有技术中多源不确定性联合传播手段不足、定性与定量评估融合机制薄弱的技术问题。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供了一种传动系统多体动力学与结构承载模型置信度评估方法，包括：

4、基于传动系统设计资料，搭建多体动力学模型及结构承载模型并开展仿真分析，得到仿真结果；

5、提取仿真结果中的特征参数，构建无量纲相似准则与相似元；

6、基于所构建的无量纲相似准则与相似元搭建多层评估体系，结合定性、定量方式获取各项指标置信度；

7、对各项指标置信度进行归一化处理，加权计算多体动力学模型及结构承载模型的整体置信度并求解对应的置信区间。

8、优选的，所述多体动力学模型采用模态综合法导入有限元柔性体，轴承采用等效弹簧阻尼单元模型，齿轮副采用时变啮合刚度模型；

9、所述结构承载模型针对关键承载零件构建有限元网格模型，对应力集中危险区域实施网格加密并开展网格收敛性验证。

10、优选的，搭建多体动力学模型及结构承载模型并开展仿真分析，具体包括将实际工况的功率流及载荷谱作为边界输入至所述多体动力学模型，开展系统固有特性分析与瞬态冲击分析；将实际工况动态载荷谱作为载荷输入至所述结构承载模型，开展静力学分析、瞬态动力学分析以及极端温度下热-力耦合分析。

11、优选的，提取仿真结果中的特征参数，构建无量纲相似准则与相似元的具体过程包括：

12、提取多体动力学特征参数与结构承载特征参数；计算几何尺寸、材料属性、工况参数、阻尼参数维度的特征比例系数；利用白金汉π定理完成量纲一致性验证，构造无量纲相似准则，推导响应量相似元修正换算公式。

13、优选的，所述基于所构建的无量纲相似准则与相似元搭建多层评估体系中多层评估体系为三层评估体系；目标层为传动系统多体动力学与结构承载模型整体置信度，准则层包含机械动力学模型准确性、结构承载模型可信度，指标层包含各维度定性评估指标与定量评估指标。

14、进一步的，所述结合定性、定量方式获取各项指标置信度中定性指标通过多轮德尔菲法专家评估确定置信度；定量指标采用蒙特卡洛模拟或者区间分析方法开展不确定性量化，得到对应指标置信度。

15、更进一步的，所述蒙特卡洛模拟方法将弹性模量、载荷、几何尺寸参数构建随机变量模型，依据输出响应概率密度分布、实测值与置信区间匹配情况及偏差倍数判定置信度；所述区间分析方法适用于参数无法获取精确概率分布的场景，依据实测值输出区间匹配情况以及区间相对宽度综合判定置信度。

16、优选的，所述对各项指标置信度进行归一化处理，加权计算多体动力学模型及结构承载模型的整体置信度并求解对应的置信区间中采用层次分析法构建判断矩阵求解初始权重，开展一致性比例检验，并且可结合评估目的调整指标权重。

17、更进一步的，以历史评估数据库内指标置信度最大值、最小值为基准实施最大最小归一化；对归一化后的指标置信度加权求和得到整体置信度，并利用加权误差传递公式计算整体置信度的置信区间。

18、第二方面，本发明还提供了一种传动系统多体动力学与结构承载模型置信度评估系统，用于实现上述所述的一种传动系统多体动力学与结构承载模型置信度评估方法，包括：

19、建模仿真模块，用于基于传动系统设计资料，搭建多体动力学模型及结构承载模型并开展仿真分析，得到仿真结果；

20、相似构建模块，用于提取仿真结果中的特征参数，构建无量纲相似准则与相似元；

21、指标评估模块，用于基于所构建的无量纲相似准则与相似元搭建多层评估体系，结合定性、定量方式获取各项指标置信度；

22、置信计算模块，用于对各项指标置信度进行归一化处理，加权计算多体动力学模型及结构承载模型的整体置信度并求解对应的置信区间。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

24、本发明提供了一种传动系统多体动力学与结构承载模型置信度评估方法，通过蒙特卡洛模拟与区间分析相结合的方式将多源不确定性统一纳入置信度评估框架，能够客观量化模型预测结果的综合可信程度，有效克服现有方法仅针对单一不确定性来源开展分析的局限性，实现多源不确定性的联合量化传播；同时依托层次分析法框架实现定性经验与定量计算的系统性融合，弥补现有评估方式仅依靠定量误差指标、忽略专家经验知识的缺陷；另外对各项指标置信度实施归一化处理，并借助加权误差传递公式求解得到整体置信度对应的置信区间，使评估结果具备量化的不确定性表征能力，并且能够依托持续积累的数据不断修正评估参考基准，推动整套评估体系实现动态迭代优化，有效解决现有技术多源不确定性联合传播手段不足、定性与定量评估融合机制薄弱的难题。

1.一种传动系统多体动力学与结构承载模型置信度评估方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种传动系统多体动力学与结构承载模型置信度评估方法，其特征在于，所述多体动力学模型采用模态综合法导入有限元柔性体，轴承采用等效弹簧阻尼单元模型，齿轮副采用时变啮合刚度模型；

3.根据权利要求1所述的一种传动系统多体动力学与结构承载模型置信度评估方法，其特征在于，搭建多体动力学模型及结构承载模型并开展仿真分析，具体包括将实际工况的功率流及载荷谱作为边界输入至所述多体动力学模型，开展系统固有特性分析与瞬态冲击分析；将实际工况动态载荷谱作为载荷输入至所述结构承载模型，开展静力学分析、瞬态动力学分析以及极端温度下热-力耦合分析。

4.根据权利要求1所述的一种传动系统多体动力学与结构承载模型置信度评估方法，其特征在于，提取仿真结果中的特征参数，构建无量纲相似准则与相似元的具体过程包括：

5.根据权利要求1所述的一种传动系统多体动力学与结构承载模型置信度评估方法，其特征在于，所述基于所构建的无量纲相似准则与相似元搭建多层评估体系中多层评估体系为三层评估体系；目标层为传动系统多体动力学与结构承载模型整体置信度，准则层包含机械动力学模型准确性、结构承载模型可信度，指标层包含各维度定性评估指标与定量评估指标。

6.根据权利要求5所述的一种传动系统多体动力学与结构承载模型置信度评估方法，其特征在于，所述结合定性、定量方式获取各项指标置信度中定性指标通过多轮德尔菲法专家评估确定置信度；定量指标采用蒙特卡洛模拟或者区间分析方法开展不确定性量化，得到对应指标置信度。

7.根据权利要求6所述的一种传动系统多体动力学与结构承载模型置信度评估方法，其特征在于，所述蒙特卡洛模拟方法将弹性模量、载荷、几何尺寸参数构建随机变量模型，依据输出响应概率密度分布、实测值与置信区间匹配情况及偏差倍数判定置信度；所述区间分析方法适用于参数无法获取精确概率分布的场景，依据实测值输出区间匹配情况以及区间相对宽度综合判定置信度。

8.根据权利要求1所述的一种传动系统多体动力学与结构承载模型置信度评估方法，其特征在于，所述对各项指标置信度进行归一化处理，加权计算多体动力学模型及结构承载模型的整体置信度并求解对应的置信区间中采用层次分析法构建判断矩阵求解初始权重，开展一致性比例检验，并且可结合评估目的调整指标权重。

9.根据权利要求8所述的一种传动系统多体动力学与结构承载模型置信度评估方法，其特征在于，以历史评估数据库内指标置信度最大值、最小值为基准实施最大最小归一化；对归一化后的指标置信度加权求和得到整体置信度，并利用加权误差传递公式计算整体置信度的置信区间。

10.一种传动系统多体动力学与结构承载模型置信度评估系统，其特征在于，用于实现权利要求1-9任一项所述的一种传动系统多体动力学与结构承载模型置信度评估方法，包括：